Bir Grup İHA’nın Yumuşak Doyum Fonksiyonları ile Sınırlandırılmış İzleme Garantili Uyarlanabilir Kazanç Tabanlı Dağıtık Formasyon Kontrolü

Creative Commons License

CAN K.

Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, cilt.16, sa.2, ss.972-987, 2026 (TRDizin)

Özet

Bu makalede, bir grup İnsansız Hava Aracının (İHA) zamanla değişen üç boyutlu bir yörünge boyunca kare formasyonda yörünge takibini gerçekleştirmesini sağlayan Yumuşak Doyum Fonksiyonu tabanlı Uyarlanabilir Dağıtık Formasyon (YDF-ADF) kontrol algoritması önerilmektedir. İlk olarak, dört rotorlu bir İHA’nın dinamik modeli ele alınmış ardından, İHA’ların ikinci mertebeden sistem modeli dikkate alınarak YDF-ADF kontrol algoritması tasarlanmıştır. Tasarlanan formasyon kontrol yaklaşımı dağıtık (distributed) bir yapıya sahip olup, İHA’lar arasında çift yönlü graf tabanlı karşılıklı bilgi paylaşımı yapıldığı varsayılmıştır. Geliştirilen adaptasyon kuralı, sürüde oluşan formasyon hata normunu esas alarak adaptif parametrelerin gerçek zamanlı güncellenmesini sağlamaktadır. Sistem dinamiklerinde ortaya çıkabilecek ani değişimlerin kontrol sinyaline olumsuz yansımaması ve adaptif parametre geçişlerinin daha kararlı ilerlemesi amacıyla, adaptasyon mekanizmasındaki parametre güncellemeleri yumuşak bir doyum (soft saturation) fonksiyonu ile ölçeklendirilmiştir. Ayrıca, önerilen YDF-ADF kontrol algoritmasının kararlılığı Lyapunov yöntemine dayalı olarak teorik olarak ispatlanmıştır. Dört adet İHA kullanılarak gerçekleştirilen simülasyon sonuçları heliks yörünge takibi sırasında İHA'ların ortalama konum hatasının 0.15 m'nin altında olduğunu, kare formasyon için de formasyon hatasının yaklaşık 0.1 m'de kaldığını göstermektedir. Dahası, yumuşak doygunluk mekanizmasının entegrasyonu sayesinde, adaptif kazanç parametresi %25 daha düşük maksimum türev davranışı sergileyerek kontrol girişindeki ani değişimleri etkili bir şekilde bastırdığı gözlemlenmiştir.
In this paper, a Soft Saturation Function-based Adaptive Distributed Formation (SSF-ADF) control algorithm is proposed to enable a group of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to achieve square formation tracking along a time-varying three-dimensional reference trajectory. First, the dynamic model of a quadrotor UAV is analyzed, and then the proposed SSF-ADF control algorithm is designed by considering the UAVs’ second-order system dynamics. The designed formation control approach has a distributed structure, assuming bidirectional graph-based mutual information sharing between UAVs. Moreover, the developed adaptive law updates the control parameters based on the norm of the formation error occurring within the swarm. To mitigate abrupt variations in the system dynamics and ensure smooth parameter adaptation, a soft saturation function is also employed to scale the adaptive parameter change in the proposed SSF-ADF algorithm. The stability of the proposed control scheme is also rigorously proven through Lyapunov-based analysis. Simulation results obtained using four UAVs show that the average positional error of the UAVs during helix trajectory tracking is below 0.15 m, and the formation error for the square formation remained at approximately 0.1 m. Furthermore, thanks to the integration of a soft saturation mechanism, the adaptive gain parameter exhibited 25% lower maximum derivative behaviour, effectively suppressing abrupt changes in the control input.